1._und(未定义指令异常)介绍

我们之前分析过5种异常，那么如何进入未定义指令异常，当然是cpu读取指令发生异常,出现了指令解析异常。 我们先来看下当cpu解析到什么样的指令才会触发未定义指令异常呢？

从上面的arm指令格式中可知，只要指令码属于划线的格式，就属于未定义指令异常。

2.汇编向c函数传参

我们知道汇编给C语言函数传参是通过r0，r1，...通过堆栈的方式去传递的参数，比如r0=1, r1=2;那么在被调用的c函数中argv0就是r0, argv1就是r1...,那么我们如果通过汇编给C函数传递字符串呢？

我们可以通过这样声明und_string为一个字符串:

und_string:

    .string "undefined instruction exception"

然后用ldr r1, =und_string，这样r1中就保存了und_string的地址。 这样调用我们的c函数就可以把und_string传入进去。

3._und异常程序示例

我们现在定义一条未定义指令伪代码：

.text

.global _start

_start:

    b reset  /* vector 0 : reset */ 

    b do_und /* vector 4 : und （看中断向量表）*/

reset:

    /*看门狗

    时钟

    sdram

    设置SP

    重定位*/

    ...

    bl print1

und_code:

    .word 0xdeadc0de; /*定义一条未定义指令*/

    /*故意以一个数据的方式引入一条未定义指令，当cpu执行到这里，读取0xdeadc0de指令码的时候，

    发现无法识别这条指令，就发生未定义指令异常，就跳转到0x4的中断向量去执行*/

    bl print2

    ...

我们现在为了方便调试理解：我们在未定义指令异常前后加上打印print1, print2，如果出现未定义指令异常后，就会跳到0x4的地方去读取指令，print2也就没法执行。

当跳转到0x4的中断向量后，发现此处是一条跳转指令"bl do_und", 我们再到未定义指令异常的服务程序do_und中打印出und_string这个字符串的内容。

现在开始写指令异常的服务程序do_und，实现如下：

do_und:

    /* sp_und未设置, 先设置它 （由于之前一直处于管理模式，现在处在und状态）*/

    ldr sp, =0x34000000

    /* 保存现场 */

    /* 在und异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */

    /* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */

    stmdb sp!, {r0-r12, lr}  /*先减后存*/ /* 把栈中的值备份到r0-r12*/

    /* 处理und异常 */

    mrs r0, cpsr

    ldr r1, =und_string /*保存und_string地址*/

    bl printException

    /* 恢复现场 */

    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /*（ldmia先读后加）,把备份的值恢复到栈中，让pc=lr就可以恢复到异常前的指令地址。^会把spsr的值恢复到cpsr里 */

下面来分析一下这个未定义指令异常服务程序：（其实代码的注释已经讲的很详细了）

1.进入未定义指令异常服务do_und之前硬件自动完成的事情如下：

1. lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址

     2. SPSR_und保存有被中断模式的CPSR

     3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式

     4. 跳到0x4的地方执行程序 （bl do_und）

2.进入指令异常服务程序do_und后，我们需要保存现场，处理und异常,恢复现场，注意：由于发生了cpu模式切换，如果要用到栈，那么先要设置对应模式的栈。由于栈的地址是向下生长的，这里我就用sdram的末位地址作为栈指针，把sp_und=0x34000000。

3.在und异常服务程序中有可能会用到栈, 所以先保存现场，通过stmdb sp!, {r0-r12, lr}语句把栈中的值备份到r0-r12和lr，然后恢复现场的时候通过ldmia sp!, {r0-r12, pc}^，详见上面的注释。

4.我们看到保存现场后，我们把cpsr的值放到r0, 把und_string放到r1, 然后用bl printException调用c函数，这样我们的c函数printException就能收到汇编传过来的参数，一个是cpsr模式（r0），一个是und_string汇编传过来的字符串(r1)。我们用C函数实现printException：

void printException(unsigned int cpsr, char *str)

{

    puts("Exception! cpsr = ");

    printHex(cpsr);

    puts(" ");

    puts(str);

    puts("nr");

}

完整的代码如下：

点击展开代码

.text

    .global _start

_start:

    b reset  /* vector 0 : reset */

    b do_und /* vector 4 : und （看中断向量表）*/

do_und:

    /* 执行到这里之前:

     * 1. lr_und保存有被中断模式中的下一条即将执行的指令的地址

     * 2. SPSR_und保存有被中断模式的CPSR

     * 3. CPSR中的M4-M0被设置为11011, 进入到und模式

     * 4. 跳到0x4的地方执行程序 （bl do_und）

     */

    /* sp_und未设置, 先设置它 （由于之前一直处于管理模式，现在处在und状态）*/

    ldr sp, =0x34000000

    /* 保存现场 */

    /* 在und异常处理函数中有可能会修改r0-r12, 所以先保存 */

    /* lr是异常处理完后的返回地址, 也要保存 */

    stmdb sp!, {r0-r12, lr}  /*先减后存*/ /* 把栈中的值备份到r0-r12*/

    /* 处理und异常 */

    mrs r0, cpsr

    ldr r1, =und_string /*保存und_string地址*/

    bl printException

    /* 恢复现场 */

    ldmia sp!, {r0-r12, pc}^  /*（ldmia先读后加）,把备份的值恢复到栈中，让pc=lr就可以恢复到异常前的指令地址。^会把spsr的值恢复到cpsr里 */

und_string:

    .string "undefined instruction exception"

reset:

    /* 关闭看门狗 */

    /* 时钟 */

    /* sdram */ 

    bl copy2sdram

    bl clean_bss

    bl uart0_init

    bl print1

    /* 故意加入一条未定义指令 */

und_code:

    .word 0xdeadc0de  /* 未定义指令 */

    bl print2

    //bl main  /* 使用BL命令相对跳转, 程序仍然在NOR/sram执行 */

    ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

halt:

    b halt

测试结果如下：

打印出print1中的字符串‘abc’后，紧接着打印printException函数中的结果，cpsr=0x600000db,那么对应的M[4:0]=11011， 对应下图为und模式。然后从und异常返回，恢复原来的模式继续执行。

4.上述代码改进：

1.保证指令4字节对齐

我们将上面的代码的und_string字符串修改一下：

...

und_string:

    .string "undef instruction"

reset:

    /* 关闭看门狗 */

    /* 时钟 */

...

编译烧录再次运行，发现没有任何打印输出，这是为什么呢？我明明只是把und_string字符串改了一下呀。

查看反汇编：

我们发现reset的地址是0x30000032，竟然不是4字节对齐的，我们知道arm指令集是以4字节为基本单位的，那么这里没有对齐，肯定无法解析指令。那么我们手工改进代码如下：

...

und_string:

    .string "undef instruction"

.align 4

reset:

    /* 关闭看门狗 */

    /* 时钟 */

...

我们再来看看反汇编，发现reset的地址是30000040，是以4字节对齐的，再次烧录运行，发现能够正常输出print1, 能够进入未定义指令异常。

2.中断向量表进入异常向量用绝对跳转

如果我们程序非常大，中断向量入口代码的地址可能会大于sram的容量4k，比如do_und和do_swi，那么这个时候就需要用绝对跳转。

.text

.global _start

_start:

    b reset  /* vector 0 : reset */ 

    b do_und /* vector 4 : und （看中断向量表）*/

将上面的相对跳转换成如下代码：

.text

.global _start

_start:

    b reset  

    ldr pc, und_addr 

    ldr pc, swi_addr

    ...

    ... 

und_addr:

    .word do_und

swi_addr:

    .word do_swi

这样我们的do_und， do_swi就可放在4k之外的地方。

3.重定位完程序后马上跳转到sdram上执行

我们现在不断增加的程序代码量，那么有可能在 'ldr pc, =main' 这条指令执行之前程序就已经超过4k。那么我们当从nand启动的时候，还没执行到ldr pc, =main这句来，就无法取指令执行了。 所以我们干脆重定位完代码后就直接跳转到sdram上去执行,代码裁剪如下：

...

    reset：

        /*

        看门狗

        时钟

        set SP

        sdram_init

        重定位

                    */

ldr pc, =sdram sdram：

...

    ldr pc, =main  /* 绝对跳转, 跳到SDRAM */

    halt:

        b halt

我们再来分析下整个程序执行过程：

1.一上电，cpu从0地址执行，执行b reset（进行初始化硬件）

2.重定位程序

3.跳转到sdram去继续执行

4.执行到 deadc0de,发生未定义指令异常

5.跳转到异常向量表的0x4地址去执行

6.跳转到sdram上执行异常处理函数（do_und）

7.异常返回，继续执行